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machine asynchrone
1883 Nicolas Tesla (1856-1943)
Histoire
Nicolas Tesla conçoit son premier moteur à induction biphasé350 W (à Strasbourg)
premier moteur à induction
machine asynchrone
Histoire
XXe développement des actionneurs électriques
machine asynchrone
Par sa simplicité de construction, la machine asynchrone s’impose dans 80 % des applications industrielles dans
toutes les gammes de puissance
Histoire
1995 Traction ferroviaireLa machine asynchrone conquiert le domaine de la traction électrique.
L’Eurostar est lancé à partir des années 1995. Ces trains sont équipés de machines asynchrones d’une puissance unitaire de 1 MW. Chaque train « Eurostar » possède 12 moteurs, soit une puissance maximum de 12,2 MW.
machine asynchrone
machine asynchrone
Applications
Entraînement de convoyeurs
machine asynchrone les applications
Levage
machine asynchrone les applications
Enrouleur d érouleur
machine asynchrone les applications
Usinage etRobotique
machine asynchrone les applications
Ventilation et pompage
machine asynchrone les applications
machine asynchrone les applications
Générateurs
Applications spécifiques
machine asynchrone les applications
Automatismeet dialogue,
bus de terrain
machine asynchrone les applications
Les moteurs àhaut rendement
machine asynchrone les applications
machine asynchrone Catalogue
machine asynchrone Principe
Interaction de deux champs
Machine monophasée
Champ pulsant
Nécessité de créer une machine biphasée
(spire de Frager, condensateur…)
Machine triphasée
Théorème de Ferraris à l’ordre 3
machine asynchrone Construction
Rotorà cage
d’écureuil
Tôle empiléesCircuit
Magnétiquefeuilleté
Anneaux de court circuit
Barreaux enAluminium
coulé
machine asynchrone Construction
Stator
Bobinage réparti des 3 phases
Encoches duCircuit magnétique
feuilletélogement des brins
du bobinage
CulasseStatorique moulée
Tôle statoriquedétail d’une encoche
machine asynchrone Construction
machine asynchrone Construction
Hélice d’autoventilation
Palier àroulement
machine asynchrone Construction
encoches rotor
La forme des encoches et leur profondeur, permet de modifier la caractéristique couple (vitesse) du
moteur par effet pelliculaire ou Kelvin.[effet de peau (skin effect)]
machine asynchrone Construction
machine asynchrone plaque
Savoir interpréter les indicationsVitesse en charge nominale
Puissance utile mécanique
Couplage
machine asynchrone caractéristiques
Comportement m écanique
machine asynchrone caractéristiques
Caractéristiques Couple-vitesse
Très important
machine asynchrone caractéristiques
Point de fonctionnement
machine asynchrone caractéristiques
Charges type
machine asynchrone caractéristiques
Charges type
pp
fn SS
ω=Ω= ou Vitesse de synchronisme
Avec ns en tr/s et ΩΩΩΩs en rd/s et p nombre de paires de pôles
Le nombre de pôles (2 p) étant fixé dès la construction il en résulte des vitesses de synchronisme figées en fonction de la fréquence :
• Réseau 50 Hz : 2 pôles Ns = 3000 tr/min; 4 pôles Ns = 1500 tr/min…12 pôles Ns = 500 tr /min…
• Réseau 60 Hz : 2 pôles Ns = 3600 tr/min; 4 pôles Ns = 1800 tr/min…12 pôles Ns = 600 tr /min…
machine asynchrone Relations fondamentales
Glissement et vitesse rotorique S
rS
S
rS
N
NNg
ΩΩ−Ω=−=
)1( gnn Sr −=
Le glissement est fondamental dans le principe du moteur asynchrone, mais il est analogue au patinage d’un embrayage mécanique donc générateur de pertes élevées au rotor.C’est pourquoi un MAS doit avoir un glissement très faible lors de son régime établi.Toute action sur g pour avoir une variation de vitesse ne doit pas se prolonger à moins de surdimensionner le moteur…
machine asynchrone Relations fondamentales
machine asynchrone
Action sur le glissement
Couplage des pôles
Contrôle U/f (commande scalaire)
Contrôle vectoriel de flux
Structure interne d ’un variateur MLI
Réglage de vitesse
Variation de vitesse
machine asynchrone
Réglage par action sur le glissement
TrEn modifiant la résistance rotorique(sur les machines à rotor bobiné), on agit sur le glissement tout en conservant un couple maximal constant.
Variation de vitesse
Tr
T
Ω
machine asynchrone
Puissance absorbée =Te x Ωs Te x Ωr
Puissance utile+ pertes
Réglage par action sur le glissement
Variation de vitesse
Tr
T
Ω
machine asynchrone
Puissance absorbée =Te x Ωs Te x Ωr
Puissance utile+ pertes
Réglage par action sur le glissement
Variation de vitesse
machine asynchrone
Réglage par action sur le glissement
Utilisable pour le démarrage des moteurs asynchrone scar les pertes importantes ne sont que transitoires .
On utilise d’autres m éthodes :
- par action sur le nombre de paires de pôles p.(moteur part winding ou Dalhander)
- par action sur la fréquence f. (variateur électronique)
Variation de vitesse
machine asynchrone Variation de vitesse
Réglage par couplage de pôles
P est un nombre entier.Les différentes vitesses seront des multiples.Dans la pratique on limite la variation à deux vitesses (PV et GV) p
gfn
)1( −=
2 technologies sont utilisées suivant le rapport
- rapport quelconque : stator à enroulements séparés - rapport = 2 : stator composé de 6 demi-bobines
Exemple : Machine à laver ancienne génération avec p = 1 et 6. Ns = 3000 et 500 tr / min, essorage et lavage…avec réducteur à poulies et courroie
PV
GV
machine asynchrone Contrôle Commande
Les solutions modernes de Contrôle commande
(couple - vitesse)
Relation Couple-Vitesse
2.UKTe =pour f constante
TE
Ωr
0
TD
TY = TD / 3
ΩS
Tr couple résistant
L’action sur la tension efficace U aux bornes d’un moteur a de lourdes conséquences si le moteur est en charge.Sur le graphe ci-contre le démarrage est impossible si la tension est réduire d’un coefficient
Les chutes de tension dans de longs câbles peuvent avoir le même effet…
3
machine asynchrone Contrôle Commande
TE
Ωr
0 ΩS0ΩS1ΩS2
∆Ωr∆Ωr∆Ωr
2
.
=
f
UKTe
pour f variable
Pour le réglage de la vitesse, l’action simultanée sur la tension efficace U et la fréquence f en gardant U/f constant est d’un grand intérêt.
Le démarrage est possible, le point stabilisé en vitesse peut être choisi et modifié avec un faible glissement pour le moteur.
Tr couple résistant
machine asynchrone Contrôle Commande
Relation Couple-Vitesse
machine asynchrone Contrôle Commande
Relation Couple-Vitesse moteur/g énérateur
machine asynchrone Contrôle CommandeOn
disti
ngue
2 tec
hniq
ues
Contrôle U/f ou E/fContrôle scalaireContrôle vectoriel de tensionVector Voltage ControlVector Pause Modulation
Contrôle vectoriel de fluxavec ou sans capteur
Field Oriented ControlMoteur asynchrone auto pilotéFlux Vector Control
Contrôle en
tension
Contrôle en
courant
Tous les contrôles sont MLI (ou PWM sinus) et agissent sur f et U
machine asynchrone Contrôle Commande
p
fns =
Agir sur la fréquence, modifie la vitesse de synchronismeainsi que le point de fonctionnement
Remarque:
Les pertes sont constantes
Contrôle U/f ou Contrôle scalaire
machine asynchrone Contrôle Commande
Pour une bonne maîtrise de l ’équipement, on cherche à conserver un couple moteur maximal constant.
21
.max
=
f
VKC
Contrôle U/f ou Contrôle scalaire
f varie on veut Cmax Il faut que V1 varie pour que =
f
V1 constant
machine asynchrone Contrôle Commande
C/Cn
0,5
1
1,5
f(Hz)fn 2fn
0Zone de survitesseà puissance constante
•Moteur auto ventilé couple utile permanent•Moteur moto ventilé couple utile permanent•Surcouple transitoire
Pas de coupleaux très basses vitesses
Contrôle U/f ou Contrôle scalaire
machine asynchrone Contrôle Commande
variateurs de vitesse
machine asynchrone Contrôle Commande
Les variateurs intègrent :un microprocesseurde la mémoireun calculateur…..
Cela permet:d ’adapter le variateur à l ’application (rampes, etc.…)de réguler ou d ’asservirde programmer différents cyclesde protéger l ’ensemble moteur - variateur
Structure des variateurs de vitesse
Onduleur de tension triphaséutilisant la modulation de largeur d’impulsion (MLI).
Redresseur triphasé + filtre L C constituant une source de tension continue.
machine asynchrone Contrôle Commande
Structure des variateurs de vitesse
machine asynchrone Contrôle Commande
Principe de la commande MLI
umoy = 0
MLI : Modulation de Largeur d ’ImpulsionsPWM : Pulse Width Modulation
u
R
v
v
1
2
La commande des interrupteurs1 et 2 sont complémentaires
tt
umoy > 0
t
umoy < 0
machine asynchrone Contrôle Commande
MLI analogique
Une tension sinusoïdale Vm ou modulatrice de fréquence f est comparée àune tension triangulaire Vp ouporteuse de fréquence fp,
avec fp = m f m = entier >> 1
On a une maîtrise incomplète des harmoniques de tension
fm fp 2fp
machine asynchrone Contrôle Commande
MLI num érique
Les instants de commutation des interrupteurs sont calculéspour réduire (ou supprimer) des harmoniques
Pour 3 angles calculés, on peut supprimerles harmoniques de rangs 3 et 5
On agit sur la fréquence par contre il faut contrôler U
π0
2πθ
E
α1α2 α3
u
machine asynchrone Contrôle Commande
MLI num érique
π0
2πθ
E
α1α2 α3
u
Hachage à fréquence fixe à rapport cyclique variable.Cela permet de moduler la valeur efficace du fondamental
On superpose aux motifs précédents, une modulation àhaute fréquence; c’est la surmodulation
machine asynchrone Contrôle Commande
MLI Vectorielle
MLI num érique 2e génération
0
E/2
E/2
U V W
a
0
E/2
E/2
U V W
d
0
E/2
E/2
U V W
b
0
E/2
E/2
U V W
c
0
E/2
E/2
U V W
e
0
E/2
E/2
U V W
f
0
E/2
E/2
U V W
h
0
E/2
E/2
U V W
g
À partir des 8 combinaisons des interrupteurs on peut avoir 8 positions du vecteur tension
U
W
V
Ub
a
0
aT
T1
bT
T2
X
Potentiels aux 3 bornes de sortie de l’onduleur modulés MLI.
Tension composée aux bornes d’un enroulement moteur.
Onde MLI
machine asynchrone Contrôle Commande
machine asynchrone caractéristiques
Comportement électrique
Modèle simplifié d’une phase rapportée au stator
Il s’agit d’un modèle énergétique dont toutes les v aleurs de puissance doivent être multipliées par 3 pour un moteu r triphasé
machine asynchrone Modèle électrique
X2 R2
R2(1-g)/gXp
I1
I10
I1T
V1
Fig.2
Modèle électrique
machine asynchrone Modèle électrique
Arbre des puissances
Puissance électrique
Puissance électro magnétique
Puissance mécanique
Pa
PE1
PM = TE.Ωr Pu = Tu.Ωr
pméca
pF1pj1
FONCTIONNEMENT MOTEUR
pF2
PE2 = TE.Ωs
pj2
Puissance électrique
STATOR ROTOR
p2 = TE.g.Ωs